Des chaînes moléculaires qui ont du mordant : une percée dans la recherche sur les polymères

La valeur de longueur statistiquement la plus fréquente mesurée est d'environ 170 nanomètres - avec une valeur aberrante proche de 1.000 nanomètres. Un record. Le nouveau processus sans halogène se passe de produits secondaires gênants et ouvre ainsi un accès particulièrement propre aux chaînes de polymères conjugués ultra-longues. L'équipe interdisciplinaire de l'université de Marburg, de Giessen, de Leipzig et de chercheurs chinois publie ses résultats dans la revue spécialisée "Nature Chemistry".

Croissance ciblée des chaînes

Contrairement aux réactions de couplage basées sur la surface qui se produisaient jusqu'à présent et au cours desquelles de nombreux courts morceaux de molécules se réunissaient par hasard, une chaîne continue ici de croître de manière contrôlée à une extrémité : des molécules circulaires précontraintes sont à cet effet ouvertes et attachées sur une surface de cuivre sous ultravide par l'extrémité réactive de la chaîne. "Ce mécanisme empêche les sous-produits qui bloqueraient sinon la surface pour d'autres réactions", rapporte le chimiste Michael Gottfried. À l'aide de la microscopie à effet tunnel à balayage (STM) à haute résolution et de la microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM) avec pointe fonctionnalisée, les chercheurs ont pu visualiser directement des liaisons individuelles. La spectroscopie de photoélectrons aux rayons X (XPS) et les mesures NEXAFS ont en outre démontré les changements chimiques survenus pendant la réaction. Des simulations de la théorie de la fonctionnelle de la densité de l'université de Leipzig ont étayé le chemin de réaction proposé et expliqué les avantages énergétiques de la croissance de la chaîne. À partir des chaînes PPP ultra-longues, il est possible de créer de nouveaux nanobandes d'une longueur allant jusqu'à environ 40 nanomètres en les chauffant de manière ciblée via des étapes intermédiaires spécifiques. "À partir de deux chaînes, nous faisons plus tard, comme pour une fermeture éclair, un nouveau ruban de carbone", explique Gottfried.

Potentiel d'application pour les composants semi-conducteurs moléculaires

Ce travail est de la recherche fondamentale dans le meilleur sens du terme : il élargit l'ensemble des outils chimiques permettant de fabriquer des structures de carbone d'une précision atomique - des éléments de construction potentiels de l'électronique moléculaire future, des transistors organiques ou des nanobandes semi-conductrices d'un nouveau genre. "Le PPP fait partie des polymères conjugués dont les propriétés électroniques dépendent fortement de la longueur de la chaîne et de la perfection structurelle", commente Gottfried. Parallèlement, les chaînes ultra-longues désormais accessibles servent de point de départ pour des nanobandes de carbone définies aux propriétés sur mesure.

Une collaboration à courte distance

Cette percée a été rendue possible par l'étroite interaction entre la conception chimique, la physique de surface, la microscopie à haute résolution et la théorie dans le cadre du projet prioritaire LOEWE "Principles of On-Surface Synthesis (PriOSS)", un projet commun des universités de Marburg et de Gießen. Des voies courtes, une expertise interdisciplinaire et le lien conséquent entre l'idée, l'expérience et l'imagerie atomique - cet "esprit Marburg-Giessen" permet de construire des molécules comme si elles suivaient un plan de construction et de rendre leur formation visible étape par étape. "Le travail de Michael Gottfried et de son équipe montre de manière impressionnante le potentiel de l'étroite collaboration entre les universités de Marburg et de Giessen au sein du campus de recherche de la Hesse centrale", déclare le vice-président pour la recherche, le professeur Gert Bange. "La mise en commun d'expertises complémentaires permet ici de réaliser des percées scientifiques et d'ouvrir de nouvelles perspectives pour les matériaux d'une précision atomique et les futures technologies des semi-conducteurs".